Лекция 4 Тема Межклеточная передача возбуждения Общая

Лекция № 4 Тема: Межклеточная передача возбуждения. Общая физиология синапсов. Медицинский факультет Специальности: лечебное дело, педиатрия 2011 / 2012 учебный год 14 сентября 2011 г.

Литература основная Физиология человека Под редакцией В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько Медицина, 2003 (2007) г. С. 69 -74

Литература основная Физиология человека В двух томах. Том I. Под редакцией В. М. Покровского, Г. Ф. Коротько • Медицина, 1997 (1998, 2000, 2001) г. С. 66 -71.

Вопрос 1 Понятия «синапс» , «нексус»

Понятия «синапс» , «нексус» • Термин «синапс» был введен Ч. Шеррингтоном как функциональное понятие в 1897 г.

Английский нейрофизиолог Чарльз С. Шеррингтон • (Sir Charles Scott Sherrington) (1857 -1952) • в 1932 г. был удостоен Нобелевской премии. • Школа Шеррингтона заложила основы современной нейрофизиологии (Гранит Р. , Лиддел Дж. Т. , Магнус Р. , Пенфилд У. , Экклс Дж. ).

• Synapsis по-гречески – соприкосновение, соединение, связь. • - смыкать.

Определение понятия «синапс» Синапс – специализированная зона контакта между нейронами или нейронами и другими клетками, обеспечивающая передачу возбуждения.

Частые ошибки: • «Синапс - морфофункциональное образование ЦНС» . • Не только ЦНС!

Частые ошибки: • «Синапс - морфофункциональное образование между нейронами» . • «Не только между нейронами!

Частые ошибки: • «В синапсе передача возбуждения осуществляется с помощью медиатора» . • Это в химическом синапсе, а не вообще в синапсе. В электрическом - без медиатора.

Понятия «синапс» , «нексус» • Структуры, обеспечивающие проведение возбуждения между гладкими и сердечными миоцитами называют нексусами (nexus) или щелевое (коммуникационное) соединение. • нексус аналогичен электрическим синапсам.

Определение понятия «нексус» Нексус – специализированная зона контакта между клетками возбудимой ткани, не являющимися нейронами или клетками нейронального происхождения, обеспечивающая передачу возбуждения.

Вопрос 2 Классификация синапсов

Классификация синапсов По характеру контактирующих клеток • Нейрон нейрон (межнейронный, • Нейрон эффекторная клетка, а именно: нейрональный)/. Cинонимы: синаптическая бляшка, концевой бутон – – • нейрон миоцит (нервномышечный, мионевральный) нейрон гландулоцит (нейросекреторный) Рецепторная клетка нейрон (во вторичночувствующем рецепторе)

Классификация синапсов По характеру контактирующих клеток • Н Н • Н Э кл. • Р кл. Н

Классификация синапсов По способу передачи сигнала • химические • электрические • смешанные

Классификация синапсов По конечному эффекту • возбуждающие • тормозные – гиперполяризующие – деполяризующие (по типу катодической депрессии)

• Раньше считали, что тормозными могут быть только химические синапсы, а электрические могут быть только возбуждающими. • Относительно недавно найдены тормозные электрические синапсы. • Причем торможение может быть как при гиперполяризации, так и деполяризации (по типу катодической депрессии).

Классификация По форме • терминальные синапсов контакта (концевые, колбообразное соединение); • проходящие (касательные, варикозное расширение аксона).

Классификация По синапсов форме контакта А - терминальные Б - проходящие

• Проходящие синапсы.

Типы межнейрональных синапсов По характеру контактирующих частей нейронов • аксо-аксональные, • аксо-дендритические (дендритные), • аксо-соматические, • дендро-дендритические, • дендро-соматические • и т. п. .

• Мозг человека содержит » 100 миллиардов нейронов. • Каждый нейрон образует контакты в среднем с 1000 других нейронов.

Типы межнейрональных синапсов • • По характеру контактирующих частей нейронов АД — аксо-дентритические, АС — аксо‑соматические, АА — аксо-аксональные, ДД — дендро‑дендритические.

Быстро схематически типы межнейрональных синапсов можно изобразить и так • • По характеру контактирующих частей нейронов АД — аксо-дентритические, АС — аксо‑соматические, АА — аксо-аксональные, ДД — дендро‑дендритические.

Типы межнейрональных синапсов По локализации • центральные (расположены в головном и спинном мозге, т. е. в ЦНС) • периферические (в периферической нервной системе).

Вопрос 3 Химический синапс: общий план строения

Общий план строения синапса А – предсинапс; Б - синаптическая щель; В – постсинапс.

Общий план строения синапса • • • предсинаптический элемент (полюс), который ограничен предсинаптической мембраной, постсинаптический элемент (полюс), который ограничен постсинаптической мембраной. В постсинаптическом элементе выделяют околосинаптическую (внесинаптическую) область, синаптическую щель.

• Часто используемое определение «пресинаптический» - ложная калька (от англ. : presynaptic). • В русском языке приставка «пре-» имеет значение, не относящееся к смыслу данного слова, маскирующее смысл термина. • Латинской приставке «prae-» в русском языке соответствует приставка «пред-» . • Поэтому по-русски правильно говорить «предсинаптический» , но не «пресинаптический» . • Правильное написание и произношение более определенно, не требует дополнительного разъяснения, является однозначным.

Химический синапс • Предсинапс и постсинапс хорошо различаются морфологически

Электронный микрофотоснимок синаптической бляшки (S) на дендрите (D) в центральной нервной системе • P — постсинаптическое утолщение; • М — митохондрии ( 56000) Electron photomicrograph of synaptic knob (S) ending on a dendrite (D) in the central nervous system. • P - postsynaptic thickening; • M - mitochondrion. (x 56, 000).

Схема строения синаптических пузырьков (по Л. Д. Маркиной) По характеру синаптических пузырьков можно предположить характер медиатора синапса. а — холинергических (светлых) б — адренергических в — пуринергических г — пептидергических

Схема строения синапсов различных типов: А — тормозного типа; Б — возбудительного типа. . 1 — аксон; 2 — предсинаптическая мембрана; 3 — постсинаптическая мембрана; 4 — синаптические пузырьки; 5 — синаптическая щель; 6 — постсинаптические уплотнения.

Вопрос 4 Типы химических синапсов

Типы химических синапсов По природе медиатора • холинергические (медиатор - ацетилхолин), • адренергические (медиатор - норадреналин), • пуринергические (медиатор - АТФ). • • дофаминергические (медиатор - дофамин), ГАМК-ергические (медиатор - гамма-аминомасляная кислота), глицинергические, глутаматергические, аспартатергические, пептидергические (медиатор - пептиды), и т. п. (более 50 медиаторов)

По характеру рецепторов на постсинаптической мембране, определяющих в постсинапсе процессы, происходящие при передаче возбуждения химические синапсы разделяются на – ионотропные – метаботропные

По характеру изменения мембранного потенциала на постсинаптической мембране при передаче возбуждения химические синапсы разделяются на • возбуждающие • тормозные – гиперполяризующие – деполяризующие (по типу катодической депрессии)

Вопрос 5 Этапы передачи сигнала в химическом синапсе

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Деполяризация предсинаптической мембраны приходящим по аксону потенциалом действия (ПД). Открытие потенциалзависимых Сa++‑каналов на предсинаптической мембране и поступление Сa++ в предсинапс (пассивный транспорт). Увеличение концентрации Сa++ в предсинапсе запускает слияние синаптических пузырьков с предсинаптической мембраной и выброс нейромедиатора в синаптическую щель (экзоцитоз). Диффузия медиатора к постсинаптической мембране. Взаимодействие медиатора с рецепторами постсинаптической мембраны. Реакция постсинапса на действие медиатора. Инактивация медиатора.

Формирование, заполнение и опустошение везикул (а – мелких, б – крупных).

Формы опустошения везикул и освобождение медиатора а - типичный экзоцитоз ( «kiss and stay» б - кратковременный поцелуй ( «kiss and run» ) в – через медиатофор или канал

Опустошение везикул и освобождение медиатора в зависимости от концентрации кальция

Вопрос 6 Медиаторы химического синапса

Понятие «медиатор химического синапса» • Медиатор (-ы) – от лат. Mediator посредник; • синонимы – нейромедиатор, нейротрансмиттер

Понятие «медиатор химического синапса» • Медиатор (-ы) – биологически активные вещества, выделяемые предсинаптической мембраной и являющиеся посредником в процессе синаптической передачи возбуждения.

Доказательство возможности химической передачи возбуждения Лёви (Loewi) Отто (1873 -1961), австрийский физиолог. Установил химическую природу передачи возбуждения через синапсы и роль в ней ацетилхолина. • Нобелевская премия (1936, совместно с Г. Х. Дейлом).

Опыт О. Лёви (Loewi)

Основные критерии медиаторной функции веществ: • наличие вещества в соответствующих предсинаптических окончаниях; • способность вещества высвобождаться под влиянием потенциала действия; • идентичность молекулярных и ионных механизмов действия на постсинаптическую мембрану вещества, высвобождаемого потенциалом действия и прикладываемого искусственно к постсинаптической мембране;

Виды (классификация) медиаторов химического синапса • амины – – • аминокислоты – – • • • моноамины (ацетилхолин, серотонин, гистамин); катехоламины (адреналин, норадреналин, дофамин) нейтральные (глутамат, аспартат) кислые (глицин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК)); полипептиды (вещество Р, энкефалин, соматостатин и др. ) пурины (АТФ и аденозин) газы (окись азота).

Газотрансмиттеры • молекулы веществ, находящихся при стандартных условиях в газообразном состоянии, синтезируемые клетками живого организма, которые принимают участие в передаче сигнала между клетками. • К газотрансмиттерам относят NO, CO и H 2 S. • Szabó C. Hydrogen sulphide and its therapeutic potential. Nature Reviews 2007; 6: 917— 935

• Характер изменений, наблюдаемых при синаптической передаче возбуждения определяется не характером медиатора, а структурами постсинаптической мембраны. • Поэтому разделять медиаторы на возбуждающие и тормозные неправильно!

Правда при этом глицин и ГАМК называют «тормозными медиаторами» , поскольку встречаются только в тормозных синапсах.

Принцип Г. Х. Дейла • Каждый нейрон во всех своих синаптических окончаниях выделяет один и тот же медиатор. • Или другими словами – «один нейрон – один медиатор» .

Генри Дейл Dale, Sir Henry Hallett, 1875 -1968 • The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1936

Происхождение медиаторов химического синапса

Вопрос 7 Комедиаторы, модуляторы, агонисты, антагонисты медиаторов в химическом синапсе

Комедиаторы • В одном и том же синапсе возможно выделение более чем одного медиатора. • Причём и действие первого (М 1) и второго (М 2) вызывает эффект в постсинапсе.

Комедиаторы Наиболее частая совместная локализация медиаторов: • Ацетилхолин + ГАМК (мотонейроны спинного мозга, амакриновые клетки сетчатки, нейроны нижней оливы). • ГАМК + глицин (нейроны спинного мозга и мозжечка). • ГАМК + глутамат (нейроны гиппокампа, зубчатой фасции, пирамидные нейроны).

Комедиаторы Синапс «ГАМК + глутамат» работает • при слабых сигналах – как ГАМКергический, • при сильных сигналах – как глутаматергический.

Модуляторы • Влияют на интенсивность и продолжительность действия классических медиаторов. • Самостоятельно непосредственно не меняют проводимость синаптических мембран и выделяются, как правило, вместе с медиатором.

Агонисты • Каждый рецептор постсинаптической мембраны взаимодействует со своим специфическим медиатором. • Однако такая специфичность не абсолютна – практически все рецепторы способны связываться с другими веществами. • Такие вещества для медиаторов являются АГОНИСТАМИ (полными или частичными).

Агонисты • Полные а. – полностью воспроизводят эффекты медиатора. • Частичные а. – частично воспроизводят эффекты медиатора.

Антагонисты • Если вещество, связываясь с рецепторами не вызывает возбуждения, а при этом мешает действию медиатора, то его называют АНТАГОНИСТОМ. • Точнее конкурентным антагонистом.

Вопрос 8 Ионотропные синапсы. Постсинаптические потенциалы.

Ионотропный рецептор Содержит домен, узнающий медиатор, и ионный канал

Ионотропный рецептор можно изобразить в своей тетради проще

Постсинаптические потенциалы

• Электротоническое распространение сигнала через сому нейрона к аксонному холмику и из постсинаптической области к околосинаптической мионеврального синапса.

Вопрос 9 Метаботропные синапсы

Мультимолекулярная система: рецептор – G-белок фермент - вторичный посредник - … - эффектор 1. 2. 3. 4. 5. 6. Взаимодействие медиатора и рецептора Активация рецептором G-белка Активация альфа-субединицей фермента Образование второго посредника Влияние на ионный канал Влияние на транскрипцию или трансляцию

Как могут быть связаны (сопряжены) метаботропные рецепторы с ионным каналом? • Через G-белки (система «G-белок – ионный канал» ): М‑холинорецепторы, адренорецепторы • Через изменение концентрации внутриклеточного посредника типа циклического аденозинмонофосфата (ц. АМФ), в результате чего меняется активность внутриклеточных протеаз - а как следствие этого - изменение функциональной активности клетки.

Лауреаты Нобелевской премии по физиологии и медицине 1994 года. Альфред Гилман (Alfred G. Gilman), родился в 1941 г. Мартин Родбелл (Martin Rodbell), 1925‑ 1998

Структура G-белка Альфа-субъединица изображена с полостью, символизирующей сайт связывания ГДФ или ГТФ

Цикл активации G-белка под действием G -белок-связанного рецептора

Влияние бета-гамма-субъединиц G‑белка на ионные каналы

Прямая активация калиевого канала субъединицами G -белка Ацетилхолин взаимодействует с М-холинорецептором, что приводит к диссоциации G-белка, его + субъединицы напрямую активируют калиевый канал, переводя его в открытое состояние

Прямая активация калиевого канала субъединицами G -белка Ацетилхолин взаимодействует с Мхолинорецептором, что приводит к диссоциации G-белка, его + субъединицы напрямую активируют калиевый канал, переводя его в открытое состояние

Прямое ингибирование Са-канала субъединицами G -белка Активация предсинаптических адренорецепторов (ауторецепторов) приводит к диссоциации G-белка и последующему ингибированию (закрытию) кальциевых каналов, т. е. снижению уровня освобождение медиатора (норадреналина)

Прямое ингибирование Са-канала субъединицами G-белка

Модуляция потенциал-зависимых кальциевых каналов норадреналином НА + -адренорецептор → G-белок→ субъединица → аденилатциклаза → образование с. АМР → активация протеинкиназы А → фосфорилирование Са-канала→ снижение порога активации Саканалов миокард

Регуляция экспрессии белков путем активации метаботропных рецепторов

Вопрос 10 Нервно-мышечный синапс скелетного мышечного волокна

Нервно-мышечный синапс (neuromuscular junction, myoneural junction) -- соединение концевой ветви аксона мотонейрона спинного мозга с мышечной клеткой.

Длительная история изучения НМС привела к возникновению многочисленных синонимов • мионевральный синапс, нервномышечное соединение, аппарат нервномышечный, бляшка двигательная, бляшка моторная, синапс аксо-мышечный, синапс нейромускулярный, моторная бляшка, двигательная бляшка, двигательный концевой аппарат, концевая пластинка, двигательная концевая пластинка.

• Но концевой пластинкой (End. Plate) чаще называют постсинаптическую мембрану, • отсюда возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) чаще называют потенциалом концевой пластинки (ПКП).

• Микрофотография нервно-мышечного соединений в скелетной мышце, полученная с помощью светового микроскопа.

• Микрофотография нервно-мышечного соединений в скелетной мышце, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа.

• Микрофотография нервно-мышечного соединений в скелетной мышце, полученная с помощью просвечивающего (трансмиссионного) электронного микроскопа.

• НМС – типичный химический синапс. • Холинергический, потому что медиатором является ацетилхолин. • Н-холинергический [эн, не аш и не эйч], потому что агонистом ацетилхолина в этом синапсе является никотин. Часто такие синапсы называют никотиновыми. • Н-холинергический, мышечного типа, потому что антагонистами ацетилхолина в этом синапсе являются кураре и курареподобные вещества.

Мионевральный синапс (по Е. А. Шубниковой с изменениями). 1 — аксон мотонейрона: 2 — мышечное волокно; 3 — синаптическая щель; 4 — пальцевидные инвагинации сарколеммы; 5 — митохондрии мышечного волокна; 6 — синаптические пузырьки; 7 — леммоцит; 8 — ядра мышечного волокна.

Мионевральный синапс (по Е. А. Шубниковой с изменениями). 1 — аксон мотонейрона: 2 — мышечное волокно; 3 — синаптическая щель;

Локализация действия ацетилхолина на модели Н-холинорецептора

Ионотропный рецептор Содержит домен, узнающий медиатор и ионный канал

Варианты изображения Н-холинорецептора (nicotinic acetylcholine receptors) • http: //www. nature. com/nrn/journal

Варианты изображения Н-холинорецептора (nicotinic acetylcholine receptors) • http: //journals. camb ridge. org/

Варианты изображения Н-холинорецептора (nicotinic acetylcholine receptors) • http: //media 2. web. britannica. c om/eb-media/

Варианты изображения Н-холинорецептора (nicotinic acetylcholine receptors) • • Рецептор изображен синим, фосфолипидные головки мембраны желтым и прикрепленный цитоплазматический белок розовым. Рецептор приблизительно 12 нм длиной выдвинут приблизительно на 6. 5 нм во внеклеточное и на 1. 5 нм во внутриклеточное пространство. Узкая пора (длинная стрелка) диаметром ~2 нм сформирована кольцом из пяти aльфа-спиралей. Участок связывания АХ выглядит как карман (короткая стрелка) в aльфа-субъединице и расположен приблизительно в 5 нм от ворот. (По данным Найджела Унвина, MRC Лаборатория Молекулярной Биологии, Кембриджа. ) http: //medbiol. ru/medbiol/cell_sign 3 /00033 e 4 a. htm

Этапы передачи возбуждения в НМС 1. Деполяризация предсинаптической мембраны пришедшим по аксону потенциалом действия (ПД). 2. Открытие потенциалзависимых Сa++‑каналов на предсинаптической мембране и поступление Сa++ в предсинапс (пассивный транспорт). 3. Выход в синаптическую щель ацетилхолина путем экзоцитоза. 4. Диффузия медиатора к постсинаптической мембране. 5. Взаимодействие ацетилхолина с Н‑холинорецепторами постсинаптической мембраны мышечного волокна. 6. Открытие никотиновых рецепторных каналов постсинаптических каналов, пассивный вход Na+ в мышечное волокно. 7. Образование потенциала концевой пластинки - ПКП (возбуждающего постсинаптического потенциала - ВПСП) в области постсинаптической мембраны. 8. Электротоническое распространение ПКП в околосинаптическую область. 9. Формирование ПД мышечного волокна на сарколемме околосинаптической области.

Потенциал концевой пластинки (ПКП) — возбуждающий постсинаптический потенциал, возникающий в нервномышечном синапсе при передаче возбуждения с нерва на мышцу.

Потенциал концевой пластинки миниатюрный • (МПКП; син. миниатюрный потенциал) • потенциал концевой пластинки, возникающий при спонтанном выделении ацетилхолина, содержащегося в одном пресинаптическом пузырьке.

• Ацетилхолин в синаптической щели быстро разрушается ацетилхолинэстеразой (АХЭ), превращаясь в холин (он вновь захватывается для последующего синтеза) и ацетат.

Образование ПД в мионевральном синапсе 1 — аксон мотонейрона: 2 — мышечное волокно; 3 — синаптическая щель;

Вопрос 11 Электрические и смешанные синапсы. Нексусы.

Электрический синапс

Щелевое (коммуникационное) соединение 1 — плазмолемма 2 — коннексон

А - чисто электрический синапс между дендритами мотонейронов лягушки В - смешанный синапса между центральными окончаниями первичного афферентного нейрона и мотонейроном лягушки С - химический синапса между центральными окончаниями первичного афферентного нейрона и мотонейрона кошки

Сравнение электрических и химических синапсов

Два основных типа синаптической передачи Электрический синапс » 1% предсинаптический ток из нервной терминали распространяется на постсинаптичекую клетку Химический синапс » 99% предсинаптический ток в нервной терминали вызывает освобождение химического посредника (медиатора). Его молекулы взаимодействуют с рецепторами постсинаптического нейрона

Схема передачи возбуждения в химическом (1) и электрическом (2) синапсах

Основные свойства химических синапсов • Большинство синапсов являются химическими синапсами (99 %) • Нервное окончание и постсинаптический нейрон разделены синаптической щелью. • Нервное окончание содержит синаптические везикулы, заполненные медиатором. • На постсинаптической мембране расположены рецепторы, способные взаимодействовать с молекулами медиатора. • Секреция медиатора контролируется электрическим потенциалом предсинаптической мембраны • Постсинаптический сигнал – результат взаимодействия молекул медиатора с рецепторами (в простейшем и распространенном случае) с лиганд-управляемыми ионными каналами • Происходит трансформация сигнала из электрической формы в химическую, а затем из химической снова в электрическую (Э-Х-Э). • Передача сигнала односторонняя. • Происходит усиление сигнала (синаптическое усиление). • Имеет место синаптическая задержка 0. 3 -0. 5 мс • Обширные возможности модуляции синаптической передачи

Основные свойства электрических синапсов • Менее распространены, чем химические (» 1%). • Прилегающие мембраны соединены щелевым контактом. • Ток течет из одной клетки в другую в области щелевых контактов через широкие каналы, образуемые белками - коннексонами. • Сигнал теряет в амплитуде • Скорость распространения сигнала высокая, лимитируется только диффузией. • Сигналы могут распространяться в обоих направлениях. • Основная функция – синхронизация электрической активности в популяции близко расположенных нейронов. • Не только ионы, но и вещества большего размера, (например, АТФ). • Физиологическое значение – синхронность ответа множества клеток на приходящий сигнал, несмотря на ослабление сигнала

Вопросы есть? !